Ultrazvukové bioreaktory na fermentáciu

Ultrazvuk je účinným prostriedkom na stimuláciu mikroorganizmov mechanickými vibráciami a kavitáciou. V sonobioreaktore / ultrazvukovom fermentore sa ultrazvukové ošetrenie buniek a tkanív stáva vysoko kontrolovateľným, pretože je možné presne určiť faktory prostredia. Pomocou ultrazvukových bioreaktorov je možné výrazne zvýšiť fermentačný výkon.

kvasenie

Účinnosť fermentácie závisí od podmienok procesu: Živiny, hustota média, teplota, obsah kyslíka / plynu a tlak sú dôležité faktory, ktoré ovplyvňujú mikrobiálnu aktivitu. Mikroorganizmom, ako aj bunkám cicavcov sa darí iba za určitých podmienok. Správne podmienky v kombinácii s ultrazvukovou stimuláciou môžu maximalizovať výťažok fermentácie.

Ultrazvuková stimulácia mikroorganizmov

Fermentácia je metabolický proces, pri ktorom sa cukor premieňa na kyseliny, plyny alebo alkohol. Vyskytuje sa v kvasinkách a baktériách a tiež vo svalových bunkách s nedostatkom kyslíka, ako v prípade fermentácie kyseliny mliečnej. Fermentácia sa tiež používa širšie na označenie hromadného rastu mikroorganizmov na rastovom médiu, často s cieľom vyrobiť konkrétny chemický produkt.
Fermentačný proces sa uskutočňuje v priemyselnom meradle s použitím mikroorganizmov, ako sú baktérie a huby, na fermentáciu. Fermentované produkty sa používajú v potravinárskom a všeobecnom priemysle. Chemikálie, ako je kyselina octová, kyselina citrónová a etanol, sa vyrábajú fermentáciou. Rýchlosť fermentácie je ovplyvnená koncentráciou mikroorganizmov, buniek, bunkových zložiek a enzýmov, ako aj teplotou a pH. Pre aeróbnu fermentáciu je kľúčovým faktorom aj kyslík. Takmer všetky komerčne vyrábané enzýmy, ako je lipáza, invertáza a syridlo, sa vyrábajú fermentáciou s geneticky modifikovanými mikróbmi.

• Produkcia biomasy (životaschopný bunkový materiál)
• Produkcia extracelulárnych metabolitov (chemických zlúčenín)
• Produkcia intracelulárnych zložiek (enzýmov a iných proteínov)
• Transformácia substrátu (v ktorom je transformovaný substrát sám o sebe produktom)

Sonikácia pred, počas a po fermentácii

Sonikácia, aplikácia nízkofrekvenčných ultrazvukových vĺn, sa môže použiť pred, počas a po fermentácii rôznymi spôsobmi a v rôznych fázach fermentačného procesu.

Ultrazvukové predfermentačné ošetrenie – Zlepšenie dostupnosti biomasy

1. Vylepšený prenos hmoty: Sonikacia ako predbežná úprava sa používa na podporu prenosu hmoty a na sprístupnenie substrátu mikróbom. Ultrazvukové miešanie podporuje prenos hmoty substrátov do mikrobiálnych buniek a produktov z nich. Ultrazvuková intenzifikácia prenosu hmoty sa môže použiť ako predbežná úprava, ako aj počas fermentácie.
2. Narušenie buniek: Sonikácia môže byť použitá na narušenie bunkových stien a membrán, najmä v mikrobiálnych alebo kvasinkových kultúrach. To pomáha uvoľňovať intracelulárne zložky, ako sú enzýmy alebo metabolity, ktoré môžu zlepšiť fermentačný výkon alebo uľahčiť následné procesy.
3. Extrakcia intracelulárnych zlúčenín: Sonikácia môže pomôcť pri extrakcii intracelulárnych zlúčenín z biologických materiálov pred fermentáciou. To zahŕňa extrakciu enzýmov, proteínov, nukleových kyselín alebo iných cieľových zlúčenín z buniek, tkanív alebo rastlinných materiálov na následné použitie vo fermentačných procesoch.

Napríklad ultrazvuková predúprava ryžových šupiek bola použitá na zvýšenie enzymatickej hydrolýzy pre produkciu xylooligosacharidov Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikáciou sa výrazne zvýšila produkcia celulolytických a xylanolytických enzýmov z ryžovej šupky. Výťažok hemicelulózy sa pri sonikácii zvýšil na 1,4-násobok a čas výroby sa výrazne skrátil z 24 hodín na 1,5 hodiny pri 80 ° C – s ďalším potenciálom optimalizácie procesov. Sonikovaná biomasa je pre huby oveľa ľahšie konvertibilná, takže sa predlžuje stabilita enzýmovej aktivity a zvyšuje sa aktivita CMCázy, b-glukozidázy a xylanázy v porovnaní s nesonikovanou ryžovou šupkou. Konečnými fermentačnými produktmi boli xylotetraóza, xylohexaóza a xylooligosacharidy s vyššou molekulovou hmotnosťou. Výťažok xylohexázy zo sonikovanej ryžovej šupky bol o 80 % vyšší.

Ultrazvukom asistovaná fermentácia – Stimulácia mikróbov

• Miešanie a homogenizácia: Sonikácia sa môže použiť ako technika miešania počas fermentácie. Aplikácia ultrazvukových vĺn pomáha vytvárať mikroprúdenie a podporuje homogenitu, čím zabezpečuje rovnomerné rozloženie živín, plynov a mikroorganizmov vo fermentačnej nádobe.
• Vylepšenie prenosu hmoty: S vylepšeným miešaním a homogenizáciou súvisia ultrazvukovo zlepšené rýchlosti prenosu hmoty počas fermentácie. Ultrazvuková oscilácia a kavitácia vytvárajú lokalizovanú turbulenciu a zvyšujú difúziu substrátov, plynov a živín do fermentačného vývaru. To môže zlepšiť celkovú účinnosť a produktivitu fermentačného procesu.
• Zlepšenie životaschopnosti buniek a metabolickej aktivity: Sonikácia sa môže aplikovať na mikrobiálne kultúry počas fermentácie, aby sa zvýšila životaschopnosť buniek a metabolická aktivita. Mierna sonikácia môže stimulovať určité mikroorganizmy, podporovať rast, produkciu biomasy a syntézu požadovaných metabolitov alebo fermentačných produktov.

Presne kontrolovateľná a opakovateľná sonikácia pomáha zlepšovať produktivitu rôznych fermentačných procesov bez poškodenia buniek. Intenzitu sonikácie je možné presne prispôsobiť konkrétnemu druhu buniek a jeho požiadavkám. Riadená sonikácia pozitívne ovplyvňuje rast a metabolizmus buniek a výrazne sa zlepšujú konverzie katalyzované živými bunkami, napr. stimulácia bifidobaktérií v mlieku.
Pri niektorých fermentačných procesoch riadených hubami sa sonikácia úspešne používa na úpravu morfológie rastu a reológie bujónu bez ovplyvnenia rýchlosti rastu a výnosu vláknitých húb.

Ultrazvukové postfermentačné ošetrenie

• Zber a separácia buniek: Sonikácia môže pomôcť pri zbere a separácii buniek po fermentácii. Môže pomôcť pri rozbíjaní bunkových agregátov, flokulantov alebo biofilmov, čím uľahčuje uvoľňovanie buniek z fermentačného vývaru. To zjednodušuje následné následné procesy, ako je regenerácia buniek alebo čistenie produktu.
• Extrakcia intracelulárnych produktov: Po fermentácii sa sonikácia môže použiť na extrakciu intracelulárnych produktov, ako sú enzýmy, proteíny alebo sekundárne metabolity, z mikrobiálnej alebo bunkovej biomasy. Tento extrakčný proces pomáha regenerovať cenné zlúčeniny a zlepšuje celkový výťažok fermentačného procesu.
• Rozpad buniek na analytické účely: Sonikácia sa môže použiť na narušenie buniek alebo mikrobiálnych vzoriek po fermentácii, najmä na analytické účely. Pomáha pri lýze buniek a uvoľňovaní intracelulárneho obsahu, uľahčuje analýzu bunkových zložiek alebo vykonávanie následných testov.

Na produkciu intracelulárnych zložiek, ako sú mikrobiálne enzýmy (napr. kataláza, amyláza, proteáza, pektináza, glukóza izomeráza, celuláza, hemiceluláza, lipáza, laktáza, streptokináza) a rekombinantné proteíny (napr. inzulín, vakcína proti hepatitíde B, interferón, faktor stimulujúci kolónie granulocytov, streptokináza), musia byť bunky po fermentačnom procese lyzované / narušené, aby sa uvoľnili požadované proteíny. Sonikáciou sa uľahčuje extrakcia intracelulárnych a extracelulárnych polysacharid-proteínových komplexov z viskózneho vývaru z mycéliálnej fermentácie. Okrem vynikajúcej výťažnosti a účinnosti extrakcie je sonikácia dobre zavedená a spoľahlivá pre lýzu buniek a extrakciu intracelulárnej hmoty.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej lýze a extrakcii!

Ultrazvukové bioreaktory pre zlepšenie fermentačných procesov

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s ultrazvukom stimulovanými bioprocesmi, ako je stimulácia buniek, fermentácia, narušenie buniek a extrakcia. Ponúkame rôzne štandardné ultrazvukové reaktory rôznych veľkostí a geometrií na sonikáciu v dávkovom a prietokovom režime. Alternatívne ponúkame riešenia na mieru pre integráciu do vášho existujúceho bioreaktora. Keďže naše ultrazvukové procesory sú veľmi univerzálne a vyžadujú len malý priestor, je možné bez problémov realizovať dodatočnú montáž do existujúcich biotechnologických zariadení.
Prečítajte si viac o typoch, dizajnoch a aplikáciách ultrazvukových reaktorov tu!
V nasledujúcej tabuľke sú uvedené všeobecné odporúčania zariadenia v závislosti od objemu dávky alebo prietoku, ktorý sa má spracovať. Kliknutím na typ zariadenia získate ďalšie informácie o každom zariadení.

Literatúra/Referencie